CN112022726B - 一种基于空心介孔硅微球的增强型牙科树脂填料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种基于空心介孔硅微球的增强型牙科树脂填料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于空心介孔硅微球的增强型牙科树脂填料及其制备方法和应用。该树脂填料为负载白藜芦醇的空心介孔硅微球，白藜芦醇均匀负载在空心介孔硅微球的内部及表面。其制备为：(1)以表面氨基化改性的带正电荷的聚苯乙烯微球为模板，以硅酸四乙酯为硅源，煅烧得到空心介孔硅微球；(2)避光下，将白藜芦醇粉末溶于无水乙醇，搅拌下加入空心介孔硅微球，超声分散，然后置于振荡摇床上振荡24～48h后处理即得基于空心介孔硅微球的增强型牙科树脂填料。该树脂填料结构稳定，粒径均匀，分散性好，药物白藜芦醇负载率高，释放时间长，制备简单，用于树脂水门汀时可有效改善树脂水门汀的生物相容性、机械性能和抗老化性能。

Description

一种基于空心介孔硅微球的增强型牙科树脂填料及其制备方 法和应用
技术领域
本发明涉及生物医学工程领域，具体为一种基于空心介孔硅微球的增强型牙科树脂填料及其制备方法和应用。
背景技术
树脂水门汀能够将间接修复体粘接到牙齿结构上，是临床牙科修复成功的关键。目前，树脂水门汀与牙本质界面间的短期粘接强度基本能满足临床需求，但其耐久性不足、生物相容性欠佳，易引起微裂纹及继发龋等问题，最终导致修复失败(Almeida R,et al.JProsthet Dent 2015；114(2):272–277；Wataha C,et al.Clin Oral Invest,1999；3(3):144–149.)，这成为牙齿修复领域亟待解决的问题。
树脂水门汀主要含有无机填料颗粒和树脂基质，能在紫外光照射下发生聚合反应，因此，树脂基质与无机填料之间的结合必须牢固，才能保证长期的稳定交联。常规方法是用硅烷偶联剂对填料表面进行改性处理，从而使无机填料均匀分散于树脂基质中(Ohyoung K,et al.Polymer COMPOSITES,2010；22(5):650–659)。然而，偶联的硅烷基团会随着时间的推移而水解。在临床应用中，生物相容性是另一个必须考虑的重要因素。牙体预备过程常打开牙本质小管，将其暴露在外，从而使得部分水门汀能连接到牙髓等脆弱的牙体内部组织。研究已经证实了树脂单体存在体外细胞毒性(Atalayin C,et al.Dent MaterJ,2015；34(6):766–773.)；且未发生聚合的游离单体会逐渐从树脂水门汀中浸出，引起细胞炎症反应或毒性氧化应激，造成患者过敏、术后疼痛或毒性反应(Da F,et al.Clin OralInvestig,2016；20(7):1559–1566；Bakopoulou A,et al.Int J Mol Sci,2009；10(9):3861–3899.)。因此，我们需要采取适当的措施来改善树脂水门汀的生物相容性。如何增强树脂基质与无机填料之间的结合，并改善树脂水门汀的生物相容性，降低体外细胞毒性，是目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于空心介孔硅微球的增强型牙科树脂填料及其制备方法和应用，该树脂填料结构稳定，粒径均匀，分散性好，药物白藜芦醇负载率高，释放时间长，制备简单，用于树脂水门汀时可有效改善树脂水门汀的生物相容性、机械性能和抗老化性能。
为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
提供一种基于空心介孔硅微球的增强型牙科树脂填料，为负载白藜芦醇的空心介孔硅微球，所述白藜芦醇均匀负载在所述空心介孔硅微球的内部及表面。
按上述方案，所述白藜芦醇在所述空心介孔硅微球的负载率为10～15％。
按上述方案，空心介孔硅微球粒径0.5～5μm，球壳厚度为100～200nm。
按上述方案，所述空心介孔硅微球的介孔孔径为5～10nm。
一种基于空心介孔硅微球的增强型牙科树脂填料的制备方法，包括以下步骤：
(1)以表面氨基化改性的带正电荷的聚苯乙烯微球为模板，以硅酸四乙酯为硅源，煅烧得到空心介孔硅微球；
(2)避光下，将白藜芦醇粉末溶解于无水乙醇中，搅拌下加入步骤(1)得到的空心介孔硅微球，超声分散，然后置于振荡摇床上振荡24～48小时，后处理即得基于空心介孔硅微球的增强型牙科树脂填料。
按上述方案，所述白藜芦醇粉末与所述空心介孔硅微球的质量比为1:1～2。
按上述方案，步骤(2)具体为：避光下，将白藜芦醇粉末溶解于无水乙醇中，搅拌下加入步骤(1)得到的空心介孔硅微球，超声分散3～10min，然后以振荡速度180～200rpm置于振荡摇床上振荡24～48小时，离心，无水乙醇清洗3次，过滤，真空干燥即得基于空心介孔硅微球的增强型牙科树脂填料。
按上述方案，所述步骤(1)中，空心介孔硅微球的制备具体步骤为：
①室温下，将表面氨基化改性的带正电荷的聚苯乙烯微球添加到乙醇中，超声分散，得到溶液Ⅰ；
②将溶液Ⅰ搅拌10～20min，加热至50～60℃，然后按照聚苯乙烯微球与浓氨水的质量比1:8～9添加浓氨水，得到溶液Ⅱ；
③向溶液Ⅱ中加入硅酸四乙酯，继续搅拌1～1.5小时，得到悬浮液Ⅲ，其中所述表面氨基化改性的带正电荷的聚苯乙烯微球与硅酸四乙酯的质量比为1:2.5～3.5；
④将悬浮液Ⅲ离心，用去离子水和无水乙醇反复洗涤至洗涤液pH值在7～7.5之间，过滤悬浮液，真空干燥，550～650℃煅烧8～10h，得到空心介孔硅微球。
提供一种上述基于空心介孔硅微球的增强型牙科树脂填料在树脂水门汀中的应用。
按上述方案，所述基于空心介孔硅微球的增强型牙科树脂填料在树脂水门汀中的加入量为10～20％。
本发明提供的负载白藜芦醇的空心介孔硅微球多功能树脂填料，一方面树脂单体在光固化前能逐渐通过空心介孔硅微球的孔隙结构渗透进入内部空心，最终填满整个微球空心，在光固化后形成稳定的机械强度较大的两端(一端在空心内，另一端在微球外部的基质中)和数量较多的结构较细的中间连接(微球壳壁介孔孔隙中的树脂)的树脂结构，实现了填料对树脂的物理锁结作用，增强了树脂基质的结构，提高树脂的机械性能；同时空心介孔硅微球能抵御口腔温度变化等引起的水解破坏，提高耐久性，延长树脂水门汀临床使用寿命。另一方面白藜芦醇负载在空心介孔硅微球表面和空腔内部，不仅可以增加白藜芦醇的负载量，实现白藜芦醇在树脂体系中的均匀分布；同时空心介孔硅微球的壳层还对于白藜芦醇的释放起到一定的延缓作用，使白藜芦醇能在更长时间内发挥抗氧化等生物活性，提高树脂的生物相容性。
本发明的有益效果为:
1.本发明可通过空心介孔硅微球的空心和多孔结构实现对树脂的物理锁结作用，增强树脂基体的结构，提高树脂的机械性能，提高耐久性；此外白藜芦醇负载在空心介孔硅微球表面和空腔内部，负载量高，分布均匀，可减缓其释放速度，延长释放时间，提高树脂的生物相容性；该树脂填料结构稳定，分散性较好，粒径均匀，白藜芦醇负载率较高，可被应用于改性牙科树脂水门汀，并在较低的添加比例下显著提高树脂水门汀的机械强度和耐久性，延长树脂水门汀临床使用寿命；且白藜芦醇可在树脂水门汀中均匀分布，缓慢释放，从而降低树脂水门汀产生的细胞毒性，提高患者耐受性，改善临床疗效降低治疗成本。
2.本发明提供的制备工艺简单，工艺参数易控制，空心介孔硅微球粒径均匀，分散性好，可实现白藜芦醇在空心介孔硅微球中的均匀高载量负载，适用于工业化生产。
附图说明
图1为本发明实施例2得到的空心介孔硅微球和基于空心介孔硅微球的增强型牙科树脂填料的透射电镜形貌图：其中图1A为空心介孔硅微球；图1B表示基于空心介孔硅微球的增强型牙科树脂填料(负载白藜芦醇的空心介孔硅微球)。
图2为本发明实施例2得到的基于空心介孔硅微球的增强型牙科树脂填料的动态光散射粒径分布检测结果。
图3为本发明实施例2得到的基于空心介孔硅微球的增强型牙科树脂填料的热重分析曲线图。
图4为本发明实施例2得到的基于空心介孔硅微球的增强型牙科树脂填料用于改性牙科树脂的体外细胞毒性检测结果柱状图，图4A为实验组和对照组细胞在培养1、5、10天后的相对细胞存活率，图4B为实验组和对照组细胞在培养1、5、10天后培养基中的乳酸脱氢酶含量，其中，图4A和B中，统计结果标注为同一字母没有统计学差异(p>0.05)。
具体实施方式
下列实施例仅用于进一步说明本发明，本领域一般技术人员可以根据本说明书公开的内容，采用其它多种方式具体实施本发明。
实施例1
提供一种基于空心介孔硅微球的增强型牙科树脂填料的制备方法，具体步骤如下：
(1)室温下，将250mg表面氨基化改性的带正电荷的聚苯乙烯微球添加到盛有30mL乙醇的烧杯中分散，在功率400W下超声5分钟，得到Ⅰ液；
(2)在搅拌速度200rpm下将I液置于磁力搅拌器上搅拌15分钟，加热至50℃，然后添加2.50mL浓氨水，得到Ⅱ液；
(3)称取0.65g硅酸四乙酯加入Ⅱ液中，置于磁力搅拌器上继续搅拌1小时，得到悬浮液III液；
(4)将III液在4000rpm下离心，用去离子水和无水乙醇反复洗涤，至洗涤液pH值在7～7.5之间，过滤悬浮液，真空干燥，550℃下煅烧10小时，得到空心介孔硅微球，呈白色粉末状；
(5)避光下，称取100mg白藜芦醇粉末加入盛有10mL无水乙醇的烧杯中溶解，置于磁力搅拌器上以400rpm搅拌，得到Ⅳ液；
(6)称取200mg步骤(4)得到的空心介孔硅微球，加入Ⅳ液中，功在率400W下超声分散5分钟，然后室温下在振荡速度180rpm置于振荡摇床上振荡24小时；
(7)在4000rpm下离心15分钟，无水乙醇清洗3次，过滤，真空干燥，得到负载白藜芦醇的空心介孔硅微球即为基于空心介孔硅微球的增强型牙科树脂填料，呈白色粉末状。
实施例2
提供一种基于空心介孔硅微球的增强型牙科树脂填料的制备方法，具体步骤如下：
(1)室温下，将500mg表面氨基化改性的带正电荷的聚苯乙烯微球添加到盛有60mL乙醇的烧杯中分散，在功率400W下超声5分钟，得到Ⅰ液；
(2)在搅拌速度200rpm下将I液置于磁力搅拌器上搅拌15分钟，加热至50℃，然后添加4.50mL浓氨水，得到Ⅱ液；
(3)称取1.50g硅酸四乙酯并加入Ⅱ液中，置于磁力搅拌器上继续搅拌1小时，得到悬浮液III液；
(4)将III液在4000rpm下离心，用去离子水和无水乙醇反复洗涤，至洗涤液pH值在7–7.5之间，过滤悬浮液，真空干燥，550℃下煅烧8小时，得到空心介孔硅微球，呈白色粉末状；
(5)避光下，称取100mg白藜芦醇粉末加入盛有10mL无水乙醇的烧杯中溶解，置于磁力搅拌器上以400rpm搅拌，得到Ⅳ液；
(6)称取150mg步骤(4)得到的空心介孔硅微球，加入Ⅳ液中，功在率400W下超声分散5分钟，然后室温下在振荡速度200rpm置于振荡摇床上振荡24小时；
(7)在4000rpm下离心15分钟，无水乙醇清洗3次，过滤，真空干燥，得到负载白藜芦醇的空心介孔硅微球即为基于空心介孔硅微球的增强型牙科树脂填料，呈白色粉末状。
使用透射电子显微镜(HT7700,Hitachi,Japan)观察材料的形貌，使用动态光散射仪(Malvern,UK)检测材料粒径分布，使用热重分析仪(STA449F3,NETZSCH)检测复合材料中白藜芦醇的负载率。
图1为本发明实施例2得到的空心介孔硅微球和基于空心介孔硅微球的增强型牙科树脂填料的透射电镜形貌图：其中图1A为空心介孔硅微球；图1B表示负载白藜芦醇的空心介孔硅微球，标尺为500nm，二者分散性好。由图1A可见，空心介孔硅微球直径约为1μm，厚度为100～150nm，分散良好，微球呈空心结构，在球壳上形成了清晰的空隙，空心介孔硅微球的由直径为30～50nm的小二氧化硅球构成。由图1B可见负载白藜芦醇后的空心介孔硅微球，空隙及中空空间均变得模糊，白藜芦醇均匀负载在硅球内外。
本发明实施例2得到的空心介孔硅微球的氮吸附/脱附测量结果显示，其平均表面积为36.7283m2/g，孔隙体积为0.085649cm3/g，平均孔径大小为9.328nm。
图2为本发明实施例2得到的基于空心介孔硅微球的增强型牙科树脂填料的动态光散射粒径分布检测结果，显示其粒径分布在0.5～5μm，平均直径为1186nm。
图3为本发明实施例2得到的基于空心介孔硅微球的增强型牙科树脂填料的热重分析曲线图。由图可知，白藜芦醇的负载率为12.49％。
实施例3
提供一种基于空心介孔硅微球的增强型牙科树脂填料的制备方法，具体步骤如下：
(1)室温下，将1000mg表面氨基化改性的带正电荷的聚苯乙烯微球添加到盛有120mL乙醇的烧杯中分散，在功率400W下超声5分钟，得到Ⅰ液；
(2)在搅拌速度200rpm下将I液置于磁力搅拌器上搅拌15分钟，加热至55℃，然后添加9.8mL浓氨水，得到Ⅱ液；
(3)称取3.50g硅酸四乙酯并加入Ⅱ液中，置于磁力搅拌器上继续搅拌1小时，得到悬浮液III液；
(4)将III液在4000rpm下离心，用去离子水和无水乙醇反复洗涤，至洗涤液pH值在7～7.5之间，过滤悬浮液，真空干燥，600℃下煅烧8小时，得到空心介孔硅微球，呈白色粉末状；
(5)避光下，称取200mg白藜芦醇粉末加入盛有20mL无水乙醇的烧杯中溶解，置于磁力搅拌器上以400rpm搅拌，得到Ⅳ液；
(6)称取200mg步骤(4)得到的空心介孔硅微球，加入Ⅳ液中，功在率400W下超声分散10分钟，然后室温下在振荡速度200rpm置于振荡摇床上振荡48小时；
(7)在4000rpm下离心15分钟，无水乙醇清洗3次，过滤，真空干燥，得到负载白藜芦醇的空心介孔硅微球即为基于空心介孔硅微球的增强型牙科树脂填料，呈白色粉末状。
应用例
提供一种基于空心介孔硅微球的增强型牙科树脂填料在树脂水门汀中的应用
(1)牙科树脂水门汀的制备
采用常用配方制备含光引发剂的树脂水门汀，即双酚A甘油二甲基丙烯酸酯、三甘醇二甲基丙烯酸酯以1:1的质量比混合，然后加入1％质量分数的樟脑醌光引发剂，形成光固化树脂基质。无填料的树脂水门汀作为对照组树脂，实验组树脂水门汀用实施例2制备得到的负载白藜芦醇的空心介孔硅微球作为填料。首先，在振动台上向树脂基质中预混占树脂基质质量百分数10％的负载白藜芦醇的空心介孔硅微球，然后在室温下避光条件下用磁力搅拌器搅拌过夜，直到形成可流动的糊状物。将得到的混合物置于真空箱中12小时，去除气泡，使树脂单体完全渗透到介孔空隙和空心空间中，即得树脂水门汀。随后，将树脂水门汀放入适当的模具中，覆盖聚酯薄膜，用光固化灯(Triad 2000,Dentsply,York,PA)在树脂每一面光照60秒聚合。所有固化的试样脱模后，用金刚砂纸打磨，并在37℃蒸馏水中保存24小时。
(2)牙科树脂水门汀体外细胞毒性的测试
树脂水门汀浸提液的制备方法如下：首先，将对照组或实验组的未固化的树脂水门汀滴入直径5mm，高度2mm的圆柱形模具，每一面光固化1分钟，每组制备3个样本。将固化后的样本从模具中取出，37℃水浴24小时，然后将标本浸入10mLα-MEM培养基，置于细胞培养箱中。随后，在第1，5和10天的时间点依次收集每个标本的3mL浸提液，然后用0.22μm孔径的滤器过滤。
将人牙龈成纤维细胞置于含有10％胎牛血清和1％青霉素/链霉素的α-MEM培养基中体外培养，培养条件为37℃，5％CO2。使用传代三代的细胞接种在96孔板中24小时，以确保细胞粘附在孔表面。用100μL新鲜培养基代替旧培养基，1小时后分别加入10μL树脂水门汀浸提液，孵育24小时。收集培养基上清液用于乳酸脱氢酶活性检测，接着向每孔加入110μL的CCK8溶液于37℃培养4小时。用酶标仪在450nm处测定每孔吸光度，绘制细胞活性百分比柱状图，如图4A所示，以测试负载白藜芦醇的空心介孔硅微球作为填料对树脂基质引发的细胞毒性的保护作用。用乳酸脱氢酶检测试剂盒检测细胞外渗出的乳酸脱氢酶含量，绘制各组乳酸脱氢酶含量柱状图，如图4B所示。其中，图4A和4B中，统计结果标注为同一字母没有统计学差异(p>0.05)。
由图4A的结果可知，与对照组相比，暴露24小时后，基于空心介孔硅微球的增强型牙科树脂填料改性的树脂水门汀组细胞存活率至少提高到107％±7.63％，细胞培养5天和10天后细胞存活率分别提高到109％±8.57％和112％±7.91％，均显著高于对照组。由图4B的结果可知，对照组1、5、10天乳酸脱氢酶活性分别为322.36±13.53、332.14±11.47、313.88±16.43U/L，均大于300U/L；而实验组乳酸脱氢酶活性在三个时间点分别为262.44±12.15、263.88±15.47、255.95±12.25U/L，下降到260U/L左右，表明细胞在含基于空心介孔硅微球的增强型牙科树脂填料的树脂水门汀浸提液培养基中破裂溶解得更少，比对照组培养基中的细胞得到更好的保护。说明该填料能长期减少树脂水门汀对细胞的毒性作用。此结果为实施例2所获效果，实施例1和实施例3同样能获此效果。
(3)树脂水门汀机械性能的测试
三点弯曲试验：将制备好的未固化的树脂水门汀倒入尺寸为2mm×2mm×25mm的模具中，用聚酯薄膜覆盖，每组20个试件。光固化，脱模后用金刚砂纸抛光，37℃水浴24小时。每组随机选取10个试件进行即刻三点弯曲力学性能试验；每组剩余10个试件置于5～55℃的冷热循环机中，停留时间为15秒，循环10000次，测试试件的老化性能。使用计算机控制的万能试验机(E1000,Instron,US)进行三点弯曲试验，跨度为10mm，十字头速度为1mm/分钟，直到试样断裂，分别计算每个试样的挠曲强度和弹性模量。
邵氏硬度试验：将各组树脂水门汀分别倒入尺寸为6.5mm×40mm×40mm的模具中，每1～2mm厚度光固化1分钟，直到试件高度6～6.5mm，充分固化后将试件从模具中取出，37℃水浴储存24小时每组5个试件。在每个试件表面选取，每个测试点距离试件边缘至少12mm，彼此间隔至少10mm，测试停留时间设置为5秒，使用邵氏硬度测试仪(LX-D,Sundoo,China)进行测试。每个标本选取5个点进行测量(每组25个)。然后将试件置于5～55℃的冷热循环机中，转换停留时间为15秒，循环10000次，得到老化后试件；再次检测每个样品的邵氏硬度，测试结果见表1。
由表1的结果可知，加入负载白藜芦醇的空心介孔硅微球后树脂水门汀的弹性模量相对于对照组显著增加，从1.59±0.15GPa增加到2.24±0.31GPa(p<0.0001)。冷热循环老化后，实验组水门汀的弹性模量降至1.88±0.24GPa，但仍显著高于对照组(1.46±0.21GPa)(p＝0.002)。同时，24小时组中实验组树脂水门汀的挠曲强度(115.73±1.46GPa)高于对照组(110.67±2.12GPa)，冷热循环老化后没有统计学差异。此外，实验组的邵氏硬度(24小时组88.20±2.29，冷热循环老化组88.68±1.09)无论是老化前(p<0.001)还是老化后(p＝0.012)均显著显著高于对照组(24小时组85.94±1.94，冷热循环老化组87.18±1.21)。以上结果表明基于空心介孔硅微球的增强型牙科树脂填料能显著提高树脂水门汀的机械性能且提高其耐久性。此结果为实施例2所获效果，实施例1和实施例3同样能获此效果。
Figure BDA0002648463750000081

Claims (8)

1.一种基于空心介孔硅微球的增强型牙科树脂填料，其特征在于，为负载白藜芦醇的空心介孔硅微球，所述白藜芦醇均匀负载在所述空心介孔硅微球的内部及表面；所述空心介孔硅微球粒径0.5~5μm，球壳厚度为100~200 nm；所述白藜芦醇在所述空心介孔硅微球中的负载率为10~15%。
2.根据权利要求1所述的基于空心介孔硅微球的增强型牙科树脂填料，其特征在于，所述空心介孔硅微球的介孔孔径为5~10 nm。
3.一种权利要求1-2任一项所述的基于空心介孔硅微球的增强型牙科树脂填料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）以表面氨基化改性的带正电荷的聚苯乙烯微球为模板，以硅酸四乙酯为硅源，煅烧得到空心介孔硅微球；
（2）避光下，将白藜芦醇粉末溶解于无水乙醇中，搅拌下加入步骤（1）得到的空心介孔硅微球，超声分散，然后置于振荡摇床上振荡24~48小时，后处理即得基于空心介孔硅微球的增强型牙科树脂填料。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述白藜芦醇粉末与所述空心介孔硅微球的质量比为1:1~2。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）具体为：避光下，将白藜芦醇粉末溶解于无水乙醇中，搅拌下加入步骤（1）得到的空心介孔硅微球，超声分散3~10min，然后以振荡速度180~200rpm置于振荡摇床上振荡24~48小时，离心，无水乙醇清洗3次，过滤，真空干燥即得基于空心介孔硅微球的增强型牙科树脂填料。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，空心介孔硅微球的制备具体步骤为：
①室温下，将表面氨基化改性的带正电荷的聚苯乙烯微球添加到乙醇中，超声分散，得到溶液Ⅰ；
②将溶液Ⅰ搅拌10~20min，加热至50~60℃，然后按照聚苯乙烯微球与浓氨水的质量比1:8~9添加浓氨水，得到溶液Ⅱ；
③向溶液Ⅱ中加入硅酸四乙酯，继续搅拌1~1.5小时，得到悬浮液Ⅲ，其中所述聚苯乙烯微球与硅酸四乙酯的质量比为1:2.5~3.5；
④将悬浮液Ⅲ离心，用去离子水和无水乙醇反复洗涤至洗涤液pH值在7~7.5之间，过滤悬浮液，真空干燥，550~650℃煅烧8~10h，得到空心介孔硅微球。
7.一种权利要求1-2任一项所述的基于空心介孔硅微球的增强型牙科树脂填料在制备树脂水门汀中的应用。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述基于空心介孔硅微球的增强型牙科树脂填料在树脂水门汀中的加入量为10~20 %。
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